Распределение давления в окрестности затянутого одноболтового соединения

При моделировании динамического поведения машин и приборов необходимо учитывать не только конфигурацию деталей, но и условия их соединений. Поскольку контактирующие поверхности топологически неидеальны, стык деталей обладает некоторой дополнительной податливостью, зависящей от контактного давления. Детальное моделирование поверхности контактирующих деталей не представляется возможным, так как требует больших вычислительных затрат. В связи с этим широкое распространение получил подход, в котором контактный слой моделируют как третье тело нулевой толщины. Таким образом, для точного моделирования надо знать распределение давления в контакте. Предложен метод определения контактного давления в окрестности затянутого одноболтового соединения методом конечных элементов путем добавления в конечно-элементную сетку интерфейсных элементов, моделирующих податливый контактный слой нулевой толщины и учитывающих влияние шероховатости поверхности деталей, образующих соединение. Выведены зависимости для решения контактной осесимметричной задачи с интерфейсным элементом в нелинейной постановке. В результате получены зависимости распределения контактного давления в окрестности одноболтового соединения при различных параметрах шероховатости и толщинах соединяемых деталей.

Литература

[1] Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания. Машиностроение и инженерное образование, 2017, № 2(51), с. 9–23.

[2] Voronov S.A., Kiselev I.A. Dynamics of flexible detail milling. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics, 2011, vol. 225, pp. 299–309, doi: 10.1177/1464419311418735

[3] Voronov S.A., Ivanov I.I., Kiselev I.A. Investigation of the milling process based on a reduced dynamic model of cutting tool. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2015, vol. 44, pp. 70–78, doi: 10.3103/S1052618815010100

[4] Gaul L., Mayer M. Modeling of contact interfaces in built-up structures by zero-thickness elements. 26th Conference and Exposition on Structural Dynamics, Orlando, FL, United States, 4–7 February 2008, code 89651.

[5] Ewins D.J. Modal testing: theory, practice and application. Wiley, 2009. 576 p.

[6] Géradin M., Rixen D.J. Mechanical vibrations: theory and application to structural dynamics. John Wiley & Sons, 2014. 616 p.

[7] Nikolaev S., Voronov S., Kiselev I. Estimation of damping model correctness using experimental modal analysis. Vibroengineering Procedia, 2014, vol. 3, pp. 50–54.

[8] Berman A., Nagy E.J. Improvement of a large analytical model using test data. AIAA journal, 1983, vol. 21, pp. 1168–1173, doi: 10.2514/3.60140

[9] Guo T., Li L., Cai L., Zhao Y. Alternative method for identification of the dynamic properties of bolted joints. Journal of Mechanical Science and Technology, 2012, no. 26(10), pp. 3017–3027, doi: 10.1007/s12206-012-0815-7

[10] Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. Москва, Машиностроение, 1971. 264 с.

[11] Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. Москва, Машиностроение, 1981. 224 с.

[12] Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. Москва, Машиностроение, 1966. 196 с.

[13] Иванов А.С. Нормальная, угловая и касательная контактные жесткости плоского стыка. Вестник машиностроения, 2007, № 7, с. 34–37.

[14] Иванов А.С., Измайлов В.В. Расчет контактной деформации при конструировании машин. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2006, № 8, с. 3–10.

[15] Ермолаев М.М. Расчет клеммовых соединений с учетом податливости контактного слоя. Вестник машиностроения, 2016, № 2, с. 26–30.

[16] Иванов А.С., Ермолаев М.М. Нагружение сдвигающей силой соединения болтами, установленными с зазором. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2010, no. 1, pp. 54–66.

[17] Иванов А.С., Муркин С.В. Расчет резьбовых соединений приводов. Вестник машиностроения, 2016, № 5, с. 3–10.

[18] Иванов А.С. Толщина контактного слоя. Вестник машиностроения, 2006, no. 12, pp. 21–23.

[19] Муркин С.В., Иванов А.С., Ермолаев А.С., Руднев С.К., Куц М.С. Экспериментально-теоретическое исследование положения оси перекоса резьбового соединения, нагруженного опрокидывающим моментом. Вестник машиностроения, 2015, № 10, с. 31–34.

[20] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method for solid and structural mechanics. Elsevier, 2005. 736 p.

[21] Gould H.H., Mikic B.B. Areas of Contact and Pressure Distribution in Bolted. Translation of ASME, Journal of Engineering for Industry, 1972, vol. 94, iss. 3, pp. 864–870, doi: 10.1115/1.3428263

[22] Bfer G. An isoparametric joint/interface element for finite element analysis. International journal for numerical methods in engineering, 1985, vol. 21, pp. 585–600, doi: 10.1002/nme.1620210402

[23] SciPy.org.scipy.sparse.linalg.cg – SciPy v1.1.0 Reference Guide. URL: https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/generated/scipy.sparse.linalg.cg.html (accessed 15 May 2018).

[24] Иванов А.С., Муркин С.В. Расчет и проектирование резьбовых соединений приводов. Москва, Инновационное машиностроение, 2015. 108 с.